变频器在纺织工业中的应用

1变频器在纺织工业中的应用前言我国是一个纺织大国，也是一个纺机生产大国，每年生产的纺机品种数百种，生产的纺机产品数十万台。纺机自动化水平逐年提高，从五十年代的直流发电机——电动机组的直流调速，经历五十年的发展，如今，变频器等电力电子技术，计算机技术、网络通讯技术以及现代控制理论应用技术，已在纺织工业的推广普及，大大提升了我国纺机自动化水平和整个纺机的档次，增强了我国纺机和纺织品在世界上的竞争力。变频器在纺织工业中的应用数量最大，应用的方式随生产工艺要求的不同而不同，最简单的是单机台简单变频调速，如风机、水泵调速，此种应用例本文仅略举一、二。变频器更多的应用是与PLC可编程控制器，TP触摸屏等人机界面和现场总线结合，组成各种速度控制系统，变频器的功能也就得到充分发挥，因此变频器的应用离不开电子技术、计算机技术和通讯技术。本文中所介绍的各种纺织机械的技术特征，传动与控制代表了我国纺机的最新最高水平，但由于技术发展快，信息掌握不够及时，也可能还有最新最高水平的技术未列入本文，请谅解。本文重点介绍我国八大类近百种纺织机械技术特征，变频调速和控制系统，可供从事电力电子技术，纺织机械自动化的工程技术人员，有关大专院校师生，和有关营销人员，维护人员参考。2变频器在纺织机械中的应用目录第1章综述1．变频器调速技术2．运动控制3．可编程控制器4．网络技术5．人机界面6．纺机传动电动机第2章变频器在化纤机械中的应用1．涤纶短丝切片纺纺丝机2．涤纶短纤维后处理联合机3．大型涤纶短纤维纺丝联合机4．大型涤纶短纤维后处理联合机5．粘胶短纤维纺丝精练联合机6．绵纶短纤维后处理联合机7．长丝纺丝设备中的卷绕头8．高速弹力丝机9．弹力丝机10．帘子线直捻机第3章变频器在棉纺机械中的应用1．开清棉和开清梳棉联合机2．并条机3．悬锭粗纱机4．环锭细纱机5．转杯纺纱机第4章变频器在织造机械中的应用1．槽筒式络筒机2．并纱机3．短纤维倍捻机4．花色纱线纺捻机35．分条整经机6．分纱整经机7．分段整经机8．短纤维浆纱机9．浆染联合机10．织机第5章变频器在毛纺机械中的应用1．羊绒针梳机2．毛纺粗纱机3．立锭粗纺细纱机4．剪毛机第6章变频器在针织机械中的应用1．单、双面针织园纬机2．电脑横机3．电脑手套编织机第7章变频器在非织造布机械中的应用1．非织造布梳理机2．高速铺网机3．预针刺机4．无纺喷胶棉生产线第8章变频器在染整机械中的应用1．卷轧染机2．平网印花机3．园网印花机4．长环蒸化机5．拉幅定型机6．预缩整理联合机7．磨毛机第9章变频器在服装机械中的应用1．自动剪线平缝机2．电脑刺绣机3．电脑金片刺绣机4．数控多针绗缝机5．验布机4关键词交频调速多段速度三角波调速恒张力线速卷绕共直流母线现场总线运动控制闭环控制网络技术张力控制同步速度调速精度触摸屏控制系统单片微机逆变器工艺参数自调匀整牵伸比往复运动自动换筒工艺流程捻度牵伸倍数纤维程序控制调速范围监控纺纱投纬第1章综述中国纺织机械工业经过上世纪末深化改革，结构调整、促进了纺机生产的发展。近年来，每年新增近1000万锭纺纱生产能力，现已具备6000多万锭短纤维纺纱能力和400多万锭长纤纺纱能力、拥有10多万家纺织服装生产企业，是世界最大的纺织大国。现每年生产约2万台细纱机，5000台粗纱机，10万台织布机以及与之相应的各种配套设备。此外，还有各种针织设备、化纤设备、毛纺设备、非织造布设备、服装设备和染整设备等数百种，年产几十万台纺机产品，可见，中国也是一个纺织机械生产大国。在新世纪中，中国将要从纺织大国发展为纺织强国。作为纺织工业技术装备基础的纺织机械将呈现质的变化，必将从纺机大国发展为纺机强国、大力开发高效、节能、环保的、自动化技术水平高的纺织机械产品、这是一项较长期而艰巨的任务、为实现这一宏伟目标、提升纺织机械自动化技术水平是最主要的关键技术之一。随着中国加入WTO、其经济更加融入国际经济的大环境中、欧洲纺织机械厂商已经在全力打入亚洲市场包括中国市场。中国纺机生产面临着更加激烈的竞争，促使纺机和纺机自动化技术发展呈现新的特点，例如变频调速技术、运动控制技术、可编程控制器技术、网络技术等，已在纺机中推广应用、并取得较好效果。变频调速技术随着电力电子技术、变流技术、现代控制理论和计算机技术的发展而得到快速发展。高档变频器均采用矢量控制或直接转矩控制，参数自调试，自识别和智能化控制，国产变频器多数尚属一般V/F开环控制，运转稳定性、可靠性和变频器整体技术水平还不理想，因此高档纺织机械大多采用欧洲、日本等进口变频器、中国纺织工业每年需用拾余万台变频器，容量从0.1kW以下至315kW以上，其中1.5kW至30kW应用最为普遍。1.1对变频器的特殊要求纺织机械变频调速大多为一般交流异步电机变频调速，开环控制，调速范围10:1以内，但也有不少纺织机械对变频器调速有较高的特殊要求：（1）多段速度调速5例如：细纱机锭子速度分段变速，一落纱从起动→分段升速→稳定运行→分段降速→停止。一般分为8～10段速度运行、升速为4～6段、降速为3～5段，这样有利于提高纺纱速度，减少断（纱）头率，提高纺纱质量，详见图3-4。（2）三角波调速为了满足纱线卷绕成型好、无叠线和塌边等的要求，纺丝卷绕头由摩擦辊、槽筒横动装置和筒管夹头等组成、而槽筒横动装置电机调速必须按三角波规律进行调节，此种调速规律通常是由摆频发生器控制变频器输出频率来实现的，即在基频的基础上叠加一个三角波如图2-14。（3）恒张力恒线速卷绕调速例如：浆纱机织轴卷绕、卷染或卷轧染机卷布辊等均要求随着纱线或布在轴上卷绕的直径逐步增大，（即卷径增大）轴的转速相应的逐步降低，以保证纱线或布张力的稳定。即要求变频器内置卷径计算功能。（4）高精度同步调速和共直流母线调速。例如：平网印花机各印花单元同步调速，园网印花机导带和烘燥等同步调速，粘胶短纤维设备中的大网辊和托压辊，高压轧车上、下辊的同步调速、采用高速光电编码器检测速度，输出的脉冲数与给定速度比较的闭环控制，实现高精度同步调速。多电机同步协调运转在纺机中应用较多，特别是染整联合机，目前均为1台电机用1台变频器单独供电，这样不经济，采用共直流母线分组供电更合理，例如一组可供3～5台逆变器，并制成一个整体，分别供3～5台电机调速，既可缩小体积，又可节省成本，染整联合机中电机容量大多为1.5kW～2.2kW.（5）通讯功能变频器与开放式总线相连，设有RS485通讯口。当现场使用变频器台数多（例如10台以上）、距离远、变频器与PLC的I/O接口多、配线数量大，安装维护工作量大，费用高，采用现场总线控制系统是合理的，例如大型涤纶纺丝及后处理联合机等均采用此方案，为此，变频器必须挂接在开放式的现场总线上运行，变频器作为总线的从站、借助于总线可实现变频器的运行、停止、调频和修改参数等功能。变频器的频率、电流、电压等状态信号和过流、超频、欠压等故障信号均能实现中央监控。变频器的网络控制主要是将多台变频器通过串行口与上位机相连，采用人机界面实现对变频器的操作，运行状况监视以及故障报警，这是技术发展趋势。（6）计长、定长功能并条机，短纤盛丝捅装置，整经机等均要求棉条、丝、纱线应有计长、定长控制，即运行到设定长度时，自动报警，停车。（7）电机零速伺服控制功能6例如：涤线、锦纶、粘胶等短纤维后处理联合机中各牵伸机分单元传动时，为保证在起动、升速，运转和降速时，丝束牵伸倍数恒定，当停车过程速度降至零速以下时，变频器应自动由速度控制模式切换到位置控制模式，即要求在零速时保持转矩输出，否则丝束将回缩、牵伸比随之变化。（8）防尘、防潮纺织厂特别是清钢联，梳棉、并条、粗纱，细纱等机械设备使用环境中有较多的飞花（棉超短纤维），如飞花凝聚在变频器散热片上，将影响变频器的散热，可能使变频器出现不应有的热跳脱，甚至损坏变频器。而染整机械特别是前处理设备和部分染色机械的使用环境中有可能蒸汽较多，甚至凝聚成水滴，将影响变频器的绝缘，甚至损坏变频器。因此，用于该场合的变频器应有一定的防护措施，如提高变频器的防护等级，或变频器的散热片可安装在拒外通风道或者变频器控制拒采取必要的密封等措施。此外，还有定位功能，简单PLC功能等要求，本文不评述。1.2运动控制传统的纺织机械电气传动电动机基本上是三大类，一是直流电动机（含并激，他激和串激直流电动机）二是交流异步电动机（含笼式和绕线式异步电动机以及电磁调速异步电机），三是同步电动机（含永磁和激磁式同步电动机）采用各种控制方案对电动机速度按各种规律进行控制或恒速运转，以满足各种纺织机械对运转速度的不同要求。随着纺织机械技术水平的发展和生产工艺对纺机设备的要求的不断提高，对纺机运转速度的要求越来越高，越来越多样化，传统的电气传动已不能满足当今纺织机械的需要，例如：（1）伺服电机的应用自动络筒机打结循环要求准确定位；精密络筒机导丝机构要求快速往复运动；喷气和剑杆等无梭织机的电子送经，电子卷取等需准确控制经纱的送出量，卷取量；平网印花机导带前后传动辊要求保持严格同步运转；园网印花机的园网为保证园网与导带以及网与网之间严格同步运转，近年都采用了伺服电机驱动此外，电脑横编织机机头往复横移运动，长环蒸化机，电脑刺绣机立车，衍缝机鞍架和罗拉以及短纤纺丝机丝捅往复装置的纵向，横向运动也采用了伺服电机驱动。近期新推出的细纱机采用多台伺服电机分别驱动前、中、后罗拉，钢领板升降以及集体落纱，取代了传统的齿轮传动，降低了噪声，有利于提高成纱质量和纺纱工艺参数的改变。（2）步进电机的应用电脑刺绣机绣框X、Y方向的移动采用2台步进电机分别驱动以保证刺绣图案的精细；单轴流开棉机尘捧采用步进电机驱动，有利于尘棒位置或尘格角度的调节，此外帘子线直捻机横动导7丝机构；分批整经机压辊加压；分条整经机的织轴，整经台的横移，前后移等均采用了步进电机驱动。有些设备为达到精确控制位移量或定位等既可采用伺服电机驱动也可采用步进电机驱动，例如整径机的织轴，整径台的横移和前后移，有的厂家选用伺服电机驱动，有的厂家则选用了步进电机驱动，同样满足了工艺要求，一般地说，如步进电机能满足技术要求的，理应选用步进电机而不宜采用伺服电机，因后者价高。（3）开关磁阻电机的应用采用开关磁阻电机驱动剑杆织机主轴的样机已推出，经试用效果良好。由上可看出，伺服电机，步进电机，开关磁阻电机等已广泛用于纺织机械，当今中国的纺织机械电气传动正在向运动控制发展，运动控制应将电网，整流器、逆变器、电动机、生产机械和控制系统作为一个整体来考虑，使控制更加优化。1.3可编程控制器1.3.1PLC可编程控制器PLC是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻辑，顺序、计时、计数与运算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组件控制各种机械的运动或工作顺序，又开发了模拟量闭环控制功能和通讯功能，PLC具有可靠性高，适应性强，编程方便，结构模块化等特点，是一种专门用于各行业生产的现场设备，也广泛用于各种纺织机械。一般的PLC均具有多种功能模块能适合各种技术要求的产品的需要，例如供计数、测量、各种定位控制，凸轮控制和闭环控制功能模块，数字量和模拟量I/O模块和多种通讯模块。PLC的通讯方式可有三种，一是点对点（PP1）方式，用于与本公司的PLC编程器或其它产品通讯，二是DP方式，即通过Profibus的DP通讯接口接入现场总线网络，三是自由口(Free,Port)通讯方式，由用户定义通讯协议，实现PLC与外设的通讯，此方式无需增加投资，灵活性较好，适于小规模控制系统，例如大多数纺机控制系统，它要求双方都使用RS485接口，通过标准的RS485串行通讯网络通讯，接入现场总线网络时，PLC可以作总线的从站，也可作总线的主站，例如大型涤纶纺丝联合机用1台PC机为主站，3台PLC为从站，又如，分条整径机用1台PLC（S7-300型）作总线的主站，用2台PLC（S7-200型）作总线的从站，构成PLC网络。PLC的性能倚赖于专用的硬件，应用程序的执行依靠专用硬件芯片来实现，如需增加运动控制功能，通讯功能等，一般